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Thermische Konvektion an rauen Oberflächen

Fachliche Zuordnung Strömungsmechanik
Förderung Förderung von 2022 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495678007
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Thermische Konvektion an einer rauen oder strukturierten Oberfläche ist ein physikalischer Prozess, der bei vielen Problemstellungen, z. B. in technischen Anlagen zur Wärmeübertragung, bei der Kühlung von elektronischen Bauelementen oder bei der Erforschung des Stadtklimas die Realität deutlich besser widerspiegelt, als dies die üblicherweise verwendeten Modelle mit glatten Oberflächen vermögen. Obwohl es zu dieser Problematik in der Vergangenheit eine Vielzahl an Veröffentlichungen gab, sind insbesondere die lokalen Transportprozesse in unmittelbarer Nähe einer solchen strukturierten Wand noch weitestgehend unverstanden. Dieser Mangel ist darauf zurückzuführen, dass es nur sehr wenige Konvektionsexperimente gibt, in denen die Transportgrößen in Wandnähe mit einer adäquaten räumlichen und zeitlichen Auflösung gemessen werden können und dass auch der Rechenaufwand für direkte numerische Simulationen derzeit noch unverhältnismäßig hoch ist. Im Forschungsvorhaben sollten im Konvektionsexperiment „Ilmenauer Fass“ die lokalen Geschwindigkeits- und das Temperaturfelder an einer rauen Oberfläche vermessen werden. Aufgrund der großen Abmessungen der Konvektionszelle, der Durchmesser beträgt 7,1 m die Gesamthöhe liegt bei 8,0 m, lassen sich diese Messungen nicht nur bei sehr hohen Rayleighzahlen (bis Ra = 1012 ), sondern auch mit einer bis jetzt unerreichten räumlichen Auflösung durchführen. Dabei sollten insbesondere die Mechanismen identifiziert werden, die zu einer Erhöhung des konvektiven Wandwärmestromes im Vergleich zu einer glatten Oberfläche führen. Nachgewiesen werden konnte, dass diese Erhöhung erst dann eintritt, wenn die Dicke der thermischen Grenzschicht kleiner als die Höhe der Rauigkeitselemente wird. Wird diese Grenze überschritten, ändert sich sowohl das Profil der mittleren Temperatur (es wird flacher) als auch das Profil der Temperaturfluktuationen (der Peak der Fluktuationen wird kleiner). Die Position dieses Peaks fällt mit steigender Rayleighzahl nach einem Potenzgesetz mit einem Exponenten von -0,323. Auch zwischen den Rauigkeitselementen, den sogenannten VALLEYs, ändert sich das Profil der Temperaturfluktuationen von einer näherungsweise linearen zu einer nichtlinearen Abhängigkeit, wenn die Dicke der thermischen Grenzschicht, die Höhe der Rauigkeitselemente unterschreitet. Auch im Geschwindigkeitsfeld gibt es signifikante Änderungen gegenüber einer glatten Oberfläche, wenn die Dicke der Grenzschicht unter die Höhe der Rauigkeitselemente fällt. Während sich das zeitgemittelte Geschwindigkeitsfeld bei diesem Übergang nur unwesentlich ändert, zeigen insbesondere die Fluktuationen der wandnormalen Geschwindigkeitskomponente einen markanten Anstieg. Besonders deutlich wird dieser Anstieg über den VALLEYs, was auch in direkten numerischen Simulationen von Belkadi et al. (2021) nachgewiesen werden konnte. Die VALLEYs tragen demzufolge stärker zum Anstieg des konvektiven Wandwärmestromes als die Rauigkeitselemente selbst dies tun.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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